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哪种“口味”的蓝牙技术最适合你?

发布时间:2013/7/29 点击:5771 字体大小: 返回

蓝牙4.0规范带来了一种全新的蓝牙技术——在直接面向消费者的通信领域有不同的名称:蓝牙LE即低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)或者智能蓝牙(Bluetooth Smart)。开发这种新型蓝牙技术的目的是为新型蓝牙设备工作服务。之前,蓝牙在这些领域未能得到广泛的应用,原因是其存在电池使用寿命或者成本问题。本文中,我将简要为您介绍Bluetooth Low Energy技术的发展历程,Bluetooth Smart和Bluetooth Smart Ready的消费类电子市场定位,以及如何确定哪种“口味”的蓝牙技术最为适合您。

这种无线技术的许多名称都没有太长的历史

  2005年左右,诺基亚研究实验室内部最初把Bluetooth LE称作“Bluetooth lite”,并将其看作是标准蓝牙技术的补充,它更小、更轻,服务于标准蓝牙技术过于复杂或者功耗过高的应用。诺基亚预见到了这种新技术的前景,同其他无线技术和半导体公司一起围绕这种技术组建了一个产业联盟,并将它命名为Wibree。大约一年以后,人们清楚地意识到在Bluetooth SIG内部开发这种技术才是一种最为可行的方法,之后便将开发工作移交给该联盟。

  那时,这种技术被称作超低功耗蓝牙技术,并最终被重新命名为Bluetooth low energy。2010年发布蓝牙4.0版规范时将这种技术包括在其中。对于消费者而言,蓝牙4.0版被称作Bluetooth Smart或者Bluetooth Smart Ready,具体取决于它应用的具体形式。

智能蓝牙技术的现状

  Bluetooth low energy已经应用于市场上相当多的设备中,包括博能公司(Polar)的H7心率带、佳明(Garmin)的Fenix运动表等等,Bluetooth SIG的Bluetooth Smart产品展示页面对其中一些进行了说明:http://www.Bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Smart-Devices.aspx。同样重要的是,苹果、摩托罗拉和三星等公司的新型手机、平板电脑和PC均提供Bluetooth low energy支持。

  那么,Bluetooth Smart/Bluetooth low energy到底是什么呢?

  人们对于蓝牙4.0到底是什么存在一些疑惑。一些不熟悉蓝牙技术内部工作原理的人会认为,Bluetooth Smart可以降低所有蓝牙工作设备的功耗,但事实却并非如此。Bluetooth Smart的好处仅适用于那些实际使用Bluetooth Smart/Bluetooth low energy特性的设备,并且仅在某些使用情况下起作用。更多详情,让我们首先从一个消费者的角度来看一下Bluetooth Smart是如何被定义的。

  Bluetooth Smart和Bluetooth Smart Ready

  从一个消费者的角度来看,集成了Bluetooth low energy技术的蓝牙设备都贴有Bluetooth Smart 和Bluetooth Smart Ready标志。这些标志并不必然地直接与我们后面将要讨论的技术类别相对应,但却有其自己的消费者体验定义。Bluetooth Smart Ready设备是一些“中心”设备,例如:计算机、平板电脑、手机等等,它们均支持Bluetooth Smart(Bluetooth low energy),并允许以后为设备添加其他属性(通过下载应用程序或驱动程序,或者其他方法)。Bluetooth Smart设备是一些基于Bluetooth low energy的设备,其与Bluetooth Smart Ready设备通信。需要注意的一点是,根据定义,Bluetooth Smart设备无法与“经典”蓝牙设备通信,它们只与Bluetooth Smart Ready设备通信。

  这样做的目的是,当消费者购买一台Bluetooth Smart设备时,他(她)知道这台设备可以同其他贴有Bluetooth Smart Ready标志的设备一起协同工作,但却不能与仅贴有标准蓝牙标志的设备工作。

技术前景展望

  从技术角度来看,基本可以分为三种不同类型的蓝牙设备:“经典”蓝牙、蓝牙双模式和蓝牙单模式。

  如前所述,第一种为“经典”蓝牙设备。大多数蓝牙设备客户群都属于这一类。尽管截止目前Bluetooth low energy支持硬件已出货超过一年时间,但是仍然有许多设备没有Bluetooth low energy所需的软件支持。展望未来,我们有充分的理由相信,大多数设备都将包含Bluetooth low energy支持(大多数现代蓝牙IC已经这么做了)。但是,肯定会有一些Bluetooth low energy无法充分发挥其优势的设备类型(例如:蓝牙立体声耳机),在可以预见的未来,它们可能仍然是蓝牙“经典”设备的舞台。

  第二种类别是所谓的“双模式”设备。这些设备同时支持“经典”蓝牙和Bluetooth low energy,并且可以与“经典”蓝牙和Bluetooth Smart设备通信。双模式IC存在于Bluetooth Smart Ready设备中。这些设备并未受益于Bluetooth low energy所带来的低功耗,因为它们仍然需要满足传统蓝牙设备的要求,但它们是整个生态系统的重要组成部分。

  第三种同时可能也是最为有趣的一个类别便是“单模式”设备,其支持Bluetooth low energy作为唯一的通信方式。这些设备不能直接与蓝牙“经典”设备通信,但在另一方面它们针对Bluetooth low energy技术经过高度优化,因此能够充分利用这种新技术所带来的好处。

  请注意,Bluetooth low energy专为占空比相对较低的使用情况而设计和优化。例如,在长时间锻炼时,一条心率带可以保持连接数小时,但它只需每秒发送几个字节,因此使用经过优化的协议时无线传输的开启时间可能不到一毫秒。与此形成对比的是,耳机或者无线扬声器的数据传输量为每秒数百kB,并且无线传输开启时间百分比达到两位数。原始蓝牙规范为通用无线数据传输而设计,经过改进已成功应用于输入设备和无线音频等其他用途。Bluetooth low energy专为满足原始蓝牙规范受限的一些应用需求,从而拓展了蓝牙技术的整个目标市场。

  Bluetooth Smart的市场

  截止目前,Bluetooth Smart在运动和健身领域已获得了良好的应用。另外,它在医疗保健和一些新颖的新兴应用领域(例如:接近距离标签、“配件饰品”和远程用户界面等)拥有巨大的应用前景。

  接近距离标签为一些小型电池供电的标签,其与中心设备通信,让中心设备知道该标签是否进入规定范围。在结合其他信息以后,它便可以有效地服务于我们的日常生活。利用这种技术,我们可以追踪到钥匙放在哪儿,提醒您不会在离开家的时候忘记带上手机,也可以帮您找到孩子们丢在沙发下面的电视遥控器。

  “配件饰品”是一种无线连接至您的手机或者平板电脑的设备,它能够以一种通过移动设备内置传感器无法实现的方法扩展应用程序的功能。例如,一条心率监测带与运动追踪应用程序一起使用(目前,还没有一种好的办法让手机直接测量您的心率)。就我个人而言,我乐于见到人们利用这种技术发明出更多让人吃惊的新型设备。

  远程用户界面是指,各种设备在一部手机或者计算机上呈现一个用户界面,而非通过按钮、屏幕等实现的物理用户界面。这在一些更加复杂的设备中已经十分常见,这些设备以某种方式接入互联网络(例如,我的路由器便使用网络浏览器进行配置),而Bluetooth Smart让这项工作变得更加轻松容易,让其扩展至一些电池供电或者非持续连接网络的设备。我最喜欢的一个例子是,我家儿童房的取暖器使用了一个自动调温器,通过对它进行编程,我可以为每周的每一天设置单独的夜间和白天温度。它拥有一个由两个7段显示器、3个LED和5个按钮组成的用户界面。我发现,就算手里拿着使用手册,想要知道它是如何工作的也显然不可能。但是,如果用一个单模式Bluetooth low energy IC代替硬件,您便能够通过触摸屏进行编程。这样可以极大地改善用户体验,甚至还可以为自动调温器制造厂商节省一部分成本(组件成本以及更少的返修/客户服务电话!)

“物联网”实现者

  Bluetooth Smart的另一个应用方面是所谓的“物联网”实现者。Bluetooth Smart设备通过普遍的Bluetooth Smart Ready设备(例如:智能手机、平板电脑或者PC)连接互联网,而非直接连接。这样做的主要好处是,相比那些直接连接互联网(通过GSM/3G/LTE或者Wi-Fi连接)的设备, 无线设备可以更加简单、低成本和低功耗。另外,无需额外增加基础设备;用户已经拥有连接Bluetooth Smart设备至互联网所需的设备。

那么Bluetooth low energy与“经典”蓝牙技术的区别到底在哪里呢?我们要从更低层说起,Bluetooth low energy PHY是Bluetooth BR PHY的瘦身和优化版(PHY意思是实际传输,即物理RF传输如何完成,BR和EDR指基本速率和增强数据速率,其为用于涵盖“经典”蓝牙1 Mbps和2/3 Mbps模式的技术术语)。尽管BR PHY跳过79通道(通过自适应跳频可减至最少20条通道),并完成32通道发现,但是Bluetooth low energy PHY仅有37条通道并完成3通道发现。由于在发现通道时Bluetooth low energy经过的通道少得多,其过程更加迅速,因此可在数ms内便建立起连接,而非“经典”蓝牙所要求的数秒。Bluetooth low energy的通道间隔为2MHz,而BR为1MHz,这降低了RF滤波需求。

  向前移动一个比特位时,Bluetooth low energy连接基本与BR所谓的嗅探性次额定(低耗电监听,sniff sub-rating)模式类似。这种方法为Bluetooth low energy提供一种在尽可能地让无线传输关闭的同时保持连接方法的高能效方法。这种蓝牙规范隐含的内容是,要求的放宽允许IC厂商完成许多“经典”蓝牙技术难以或者无法实现的优化工作,从而降低睡眠和活跃电流,并缩短开关时间。相比双模式或者典型芯片,这些优化让单模式芯片变得更加低功耗、更简单和更低成本。

  在属性层也存在诸多差异。截止目前Bluetooth low energy属性层叠加在GATT上,其使用GATT/ATT协议来交换数据。在“经典”蓝牙中,属性通常定义了其自有协议。这种方法更加灵活,但使实现起来更加复杂,并且增加了需要运行的代码数量。

  那么,您的设计应该选择哪一种呢?

  更新型的IC一般都为双模式而非“经典”蓝牙,因此从硬件的角度来看,您通常没有选择的空间。如果目标应用不使用Bluetooth low energy,则某些应用指定设备可能会仍仅为BR或者BR/EDR。从软件角度来看,许多常见蓝牙堆栈均包括了低能耗支持,因此不用您选择。

  当在双模式和单模式 IC 或者系统片上 (SoC) 之间进行选择时,其取决于您的目标应用。如果您需要与“经典”蓝牙设备进行通信,则选择很简单—您需要使用一个双模式设备。如果您在链路的两端都有灵活性,则您通过无线链路传输的数据类型和多少是最为重要的决定标准。如果您传输大量的数据或者流媒体,则您应该使用BR/EDR解决方案。这种IC的例子是TI的CC2564。这种IC包含了HCI级别的蓝牙4.0版堆栈,其余堆栈则运行在主微控制器 (MCU) 上。

  如果您只传输少量的数据,则Bluetooth low energy或许是更好的选择。在其目标设计应用中, Bluetooth low energy可以提供非常长的电池使用时间。例如,每周七天每天24小时每隔一秒与电话通信一次的某个传感器,使用一枚CR2032钮扣电池可以持续工作超过1年的时间。功耗(以及其带来的电池使用时间)随通信时间的长短而调节。BLE的最短支持时间为7.5ms,最长为16秒。16秒的时间极限与通信超时有关;如果需要更长的时间,则连接可能断开,然后再根据需要每次重新连接。如前所述,仅3条通道用于重新连接意味着重新连接远比“经典”蓝牙要迅速,其为毫秒级而非秒。

  这个行业正转向使用一些能够在一个传感器型器件中实现所有功能的IC,而不是传感组件本身。TI 的 CC2541 便是一款单模式Bluetooth low energy SoC解决方案的例子,它包含了无线电组件、MCU与外围器件以及片上可再编程闪存。

  其他因素也可能起作用。例如,如果您想要您的设备能够与IOS型设备通信,则Bluetooth low energy是实现这个目标的简单方法。目前,苹果公司要求提供预定义属性以外支持的所有BR/EDR设备都必须获得MFI计划的认证。对于那些没有这种限制的Bluetooth low energy设备来说,运行在iPhone 4S、iPhone 5、iPod touch (第5代)或者iPad 3(使用iOS 5以上版本)的IOS应用程序可以使用GATT型API与BLE设备通信。

  至于其他操作系统,一些安卓手机已经支持蓝牙4.0版,我们希望看到更多的类似设备。Windows 8将提供完整的蓝牙4.0版支持,并且API已经在微软公司开发者大会上发布。

  另一个需要考虑的因素是,开发工具与文档的发展和推出。一些单模式Bluetooth low energy厂商提供免版税软件栈,并且所有文档均在网站上开放提供。在“经典”蓝牙领域,征收协议栈版税和根据保密协议不得泄露数据表单和其他技术文档是一种更为常见的做法。

  结论

  蓝牙4.0出现以后,蓝牙设备设计人员在其工具箱中又多了一件工具。尽管都是蓝牙4.0,但却有不同的名称:Bluetooth Smart、Bluetooth Smart Ready或者Bluetooth low energy。不管您叫它什么名称,这种新技术都以短距离无线市场中蓝牙技术的大规模成功应用为基础,并通过降低功耗、复杂度和成本拓展蓝牙技术的应用领域。

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